技术文章
TECHNICAL ARTICLES极化效应是两电极式电导率传感器在测量中面临的主要问题之一,其本质是电极表面因离子聚集或电荷积累形成 “极化层",导致测量电阻偏大、电导值失真。降低极化效应的核心思路是减少电极与溶液界面的电荷积累,具体可通过以下方法实现:
一、优化供电方式
采用高频交变电压
极化效应在低频电压下更显著(离子有充足时间在电极表面聚集),提高电压频率(如从 50Hz 提升至 1kHz 以上)可缩短离子定向移动的时间,减少极化层的形成。
注意:频率过高可能导致溶液电容效应增强(类似 “容抗" 干扰),需根据溶液电导率范围匹配合适频率(如低电导率溶液用低频,高电导率溶液用高频)。
控制电压幅值
降低施加在电极上的电压(如从 10V 降至 1~5V),可减少电场强度,减弱离子向电极表面的迁移动力,从而降低极化程度。
需平衡:电压过低可能导致微弱电流测量困难,需配合高灵敏度的电流检测电路。
二、改进电极设计与材质
增大电极表面积
采用多孔电极(如铂黑电极,表面电镀多孔铂层)或网状电极,增加电极与溶液的接触面积,降低单位面积的电流密度(电流密度越高,极化越严重)。
示例:铂黑电极的表面积是光滑铂电极的数十倍,可有效减少高电导率溶液中的极化效应。
选择惰性电极材质
采用化学稳定性强的电极材料(如铂、钛、钌铱合金),减少电极本身与溶液的化学反应(如氧化、溶解),避免因电极腐蚀导致的表面电荷异常积累。
优化电极间距与形状
对于高电导率溶液,适当增大两电极间距(减少电流密度);对于低电导率溶液,缩小间距(增强信号),通过调整电极几何参数匹配溶液特性,减少极化风险。
三、加强测量环境控制
避免高浓度溶液长时间测量
高浓度溶液中离子数量多,极化效应更易发生。若需测量,可缩短单次测量时间,或采用间歇式测量(测量后断电,让极化层自然消散)。
控制溶液温度稳定性
温度剧烈变化会影响离子迁移速率,间接加剧极化效应(如高温下离子运动快,更易在电极表面聚集)。通过恒温装置或加强温度补偿算法,维持测量环境温度稳定。
四、定期维护与校准
清洁电极表面
电极表面的污染(如沉淀、有机物吸附)会增加极化层电阻,需定期用稀盐酸(去除水垢)或无水乙醇(去除有机物)清洗,必要时用软毛刷轻刷,恢复电极表面活性。
重新标定电极常数
长期使用后,电极表面磨损或污染可能导致实际电极常数偏离出厂值,进而影响极化状态下的测量精度。定期用标准溶液(如 0.01mol/L KCl 溶液)校准,修正电极常数。
五、电路层面的补偿措施
引入相位补偿电路
极化效应会导致测量电路中电流与电压的相位差增大,通过电路设计补偿相位偏差,可减少极化对电导计算的影响。
采用交流阻抗法分离极化电阻
利用电化学阻抗谱技术,通过不同频率下的阻抗测量,分离出极化电阻与溶液真实电阻,仅基于真实电阻计算电导率(适用于高精度测量场景)。